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Die Erfindung betrifft eine Verriegelungsschaltung und ein Verfahren zum Blockieren einer Datenleitung.
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Adaptive Scheinwerfer können unterschiedliche Funktionen, wie Kurvenlicht, Fernlicht, Abblendlicht, Vorfeldbeleuchtung, Lauflicht mit Animation umsetzen. Auch den Umweltbedingungen angepasste adaptive Funktionen, wie z. B. Lichtkegel mit einem schwarzen Tunnel, damit entgegenkommende Verkehrsteilnehmer nicht geblendet werden, während alle andern Bereiche mit Fernlicht ausgeleuchtet werden, können realisiert werden.
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Die Beleuchtung wird häufig mit einer Matrix aus Leuchtelementen, vor allem LEDs realisiert. Diese einzelnen Leuchtelemente können unabhängig voneinander geschaltet werden, um so verschiedene Ausleuchtungsmuster (Funktionen) zu generieren. Zur vereinfachten Ansteuerung einer solchen Matrix wurden spezielle integrierte Bauelemente entwickelt, z. B. der Licht-Matrix-Manager (LMM) für Fahrzeugsysteme TPS92661. Dabei wird die Helligkeit jedes Lichtelements mittels einer PWM-Ansteuerung des Stromes gesteuert. Dies geschieht für jedes Leuchtelement (LED) individuell. Um das PWM-Verhältnis zu steuern, sieht der LMM einen Registersatz vor, der über eine serielle Kommunikation (UART – Universal Asynchronus Receiver Transmitter) eingestellt werden kann.
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Ein derartiges Bauelement besitzt einen internen Zustandsautomat, der nur definierte Kommandos korrekt verarbeitet. Empfängt dieser jedoch ein unbekanntes Kommando oder Datenmüll, so besteht die Gefahr, dass sich der Zustandsautomat verheddert und die Funktion des Bauelements beeinträchtigt ist.
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In der Druckschrift
DE 103 40 806 B3 wird gelehrt, wie mittels einer einfachen Schnittstellenschaltung die Erkennung eines Kurzschlusses, bzw. einer Zugriffskollision auf einer Eindrahtleitung im UART-Betrieb vereinfacht wird. Hierbei kommt ein ODER-Gatter zum Einsatz, welches die Adressbits eines Datensignals im Sende- und Empfangspfad vergleicht. Das Ergebnis wird über einen separaten Diagnosepin zur Verfügung gestellt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Echo auf einer zweiten Datenleitung, dass durch ein Signal auf einer ersten Datenleitung liegt, zu verhindern. Es gibt Bauelemente, die ein solches Echo erzeugen. Dieses wiederum könnte andere Bauelemente stören und deren Funktionalität beeinträchtigen. Eine Echounterdrückung ermöglicht die gleichzeitige Verwendung beider Arten von Bauelementen.
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Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Eine Verriegelungsschaltung zum Unterdrücken eines Echos auf einer Empfangsleitung, sperrt bei Vorhandensein eines Signals auf einer Sendeleitung die Empfangsleitung. Die Empfangsleitung besitzt dabei eine Sendeseite, an der das Echosignal anliegt und eine Empfangsseite, auf der das Echosignal blockiert werden kann.
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Ein Signal bezeichnet vorliegend eine Änderung eines Spannungspegels von einem Grundpegel auf einen anderen Pegel. Über diesen können binäre Werte (Bits) definiert werden. Ein Signal repräsentiert hier üblicherweise ein Bit, insbesondere in der Betrachtung der vorhandenen Messungen. Eine Aneinanderreihung von Signalen (Plural), die ggf. mehrere Bits repräsentieren, die z. B. ein Datenwort bilden, können gelegentlich auch als Signal bezeichnet werden.
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Eine solche Verriegelungsschaltung ist insbesondere für 2 Eindraht-Datenleitungen geeignet, d. h. einer Sende- und einer Empfangsleitung, die eine für bidirektionale Kommunikation im Vollduplexbetrieb zwischen zwei Kommunikationspartnern ermöglicht.
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Eine derartige Kommunikation kann eine serielle Datenübertragung auf einem seriellen Bus sein. Auf diesem können unterschiedliche Busprotokolle Anwendung finden, wie z. B. RS232, SPI (Serial Peripheral Interface), I2C (I-Quadrat-C) oder UART.
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Es ist dabei diejenige der beiden Leitungen sperrbar zu gestalten, auf der Daten vom Echo erzeugenden Bauelement zum Kommunikationspartner gelangen. Es wäre ungünstig, wenn beide Kommunikationspartner Echos produzieren.
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Verschiedene Lösungen zum Sperren, bzw. Blockieren der Ausgangsleitung sind denkbar, wie diskrete mittels Transistoren realisierte, analog mit einem Transmissions Gatter. Im Folgenden wird eine Lösung mittels Digitallogik vorgeschlagen.
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In einer besonderen Ausführungsform kann in der Verriegelungsschaltung ein aus dem Sendesignal abgeleitetes Steuersignal auf einer Steuerleitung anliegen. Die Steuerleitung ist an den Eingang eines Inverters angeschlossen, dessen Ausgang mit einem Eingang eines Oder-Gatters bei Signalen mit negativer Logik, bzw. einem UND-Gatter bei Signalen mit positiver Logik, verbunden ist. Ein zweiter Eingang des Gatters ist mit der Sendeseite der Empfangsleitung und der Ausgang des Gatters mit der Empfangsseite der Empfangsleitung verbunden.
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Vorteilhafter Weise kann so mit geringem Hardwareaufwand die Schaltung realisiert werden. Aufwändige Alternativen, wie aufwändiges Herausrechnen mittels eines Mikrocontrollers oder eine Fehlerbehandlung beim Empfang eines Echos, können so vermieden werden.
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Das Steuersignal kann im einfachsten Fall auch direkt das Sendesignal sein. Die Ableitung bezieht sich nicht auf eine Ableitung im mathematischen Sinne, sondern auf eine Abhängigkeit, d. h. das Steuersignal bestimmt sich aus dem Zustand oder Verlauf des Sendesignals.
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Die Beschreibung der Schaltung umfasst auch Schaltungsvarianten, bei denen weitere Bauteile eingesetzt werden, solange sie die Logik der Schaltung nicht verändern. Hierzu können Pufferelemente oder Treiberstufen gehören.
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In einer besonderen Ausführungsform beeinflusst eine Verzögerungsschaltung das Steuersignal so, dass die Verriegelungsschaltung für einen längeren Zeitraum verriegelt, als das Signal auf der Sendeleitung anliegt.
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Vorteilhafter Weise kann so das Echosignal komplett unterdrückt werden. Ansonsten besteht die Gefahr, dass wenn kein Sendesignal mehr anliegt, aber das verzögerte Echo noch aktiv ist, dieser Rest des Echos auf der Empfangsleitung noch sichtbar ist.
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Die vollständige Verriegelungsschaltung besteht aus zwei Teilen, nämlich aus der Verzögerungsschaltung und der eigentlichen Verriegelungsschaltung. Um ein zu frühes Freigeben der Empfangsleitung zu verhindern, muss das Steuersignal, welches die Verriegelungsschaltung zum Sperren bewegt, verlängert werden. Die Verzögerungsschaltung verlängert das Steuersignal auch über das Ende des Signals auf der Sendeleitung hinaus.
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In einer besonderen Ausführungsform der Verriegelungsschaltung verbindet die Verzögerungsschaltung die Sendeleitung über eine Diode mit der Steuerleitung. Weiterhin ist dabei die Steuerleitung über einen Widerstand (R1) mit der Versorgungsspannung und über einen Kondensator (C1) mit Masse verbunden.
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Vorteilhafter Weise ist auch hier nur ein geringer Hardwareaufwand möglich. Andere Realisierungsideen wie ein Timer in einem Mikrocontroller oder eine Interruptsteuerung erscheinen aufwändiger zu sein.
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Die Diode ist dabei in Sperrrichtung geschaltet, d. h. die Sendeleitung ist mit der Kathode, die Steuerleitung mit der Anode verbunden.
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In einer weiteren Ausführungsform kann als Diode eine Schottkydiode verwendet werden. Diese hat geringere ohmsche Verluste und eine niedrigere Durchbruchsspannung.
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In einer besonderen Ausführungsform der Verriegelungsschaltung ist ein CAN-Treiber, welcher das Echo erzeugt, an die Sendeleitung und die Sendeseite der Empfangsleitung angeschlossen.
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Ein solcher CAN-Treiber übersetzt Signale von einem CAN-Bus auf einen seriellen Bus. Auf diesem können unterschiedliche Busprotokolle Anwendung finden, wie RS232, SPI, I2C oder UART. Im Folgenden wird stellvertretend UART beschrieben.
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Üblicherweise sind beide Busse durch zwei Eindrahtleitungen realisiert. Einige bekannte CAN-Treiber Bausteine erzeugen ein Echo auf dem UART-seitigen Bus. Konkret, wenn ein serielles Signal an dem TxD Eingang ankommt, erscheint leicht zeitverzögert ein Echo auf dem RxD Ausgang des UART-seitigen Bus. Natürlich wird auch die eigentliche Nutzfunktion erfüllt und dieses Signal CAN-seitig weitergeleitet.
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Es kann hier CAN-seitig lediglich eine Realisierung der physikalischen Schicht (Niedervolt-Differenzspannungssignale) stattfinden, so dass das UART-Protokoll auf der physikalischen CAN-Schicht übertragen wird. Alternativ kann neben der physikalischen Umsetzung auch eine komplette Übersetzung des Datenprotokolls (Datensicherungsschicht) von UART auf CAN stattfinden.
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Das Echo kann zwar einerseits eine gewünschte Funktionalität bieten, wie z. B. die im Stand der Technik beschriebene Plausibilisierung einer korrekten Datenübertragung, andererseits kann dieses Echo die kommunizierenden Bausteine auch stören. So kann der Zustandsautomat eines angeschlossenen Bausteins (z. B. LMM) durcheinander geraten, wenn über das Echo eine Nachricht (Datenwort) an den Baustein gesendet wird, das keine Nachricht darstellt, die der Baustein erwartet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Verriegelungsschaltung ist ein Ansteuerbaustein zur Lichtansteuerung mit der Verriegelungsschaltung verbunden.
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Die Verriegelungsschaltung verhindert dabei, dass das Echo den Ansteuerbaustein erreicht.
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In einer besonderen Ausführungsform der Verriegelungsschaltung ist wenigstens ein Licht-Matrix-Manager Modul, als spezieller Ansteuerbaustein zur Lichtansteuerung, an die Sendeleitung und die Empfangsseite der Empfangsleitung angeschlossen. Dabei sendet das wenigstens eine Licht-Matrix-Manager Modul das Signal auf der Sendeleitung.
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Vorteilhafter Weise kann damit die Funktionsfähigkeit des LMMs verbessert werden, da keine ungewollten Nachrichten über die Empfangsleitung am LMM ankommen.
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In einer speziellen Ausführung des Licht-Matrix-Manager Moduls kann ein Baustein mit der Typenbezeichung TPS92661 verwendet werden. Auch andere Bausteine, die diese Funktionalität erfüllen sind natürlich denkbar.
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In einer weiteren Ausführungsform befindet sich die Verriegelungsschaltung zwischen einem CAN-Treiber und einem LMM. Dabei kommunizieren die beiden Kommunikationspartner ohne dass ein Echo, das der CAN-Treiber erzeugt, beim LMM ankommt und ihn so stören könnte.
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Die vom LMM verwendete UART Kommunikation ist nicht unbedingt ein gebräuchlicher Standard in automobilen Anwendungen. Diese Art der Übertragung kann Probleme bei größeren Leitungslängen, wie sie im Automobil vorkommen, verursachen. Es kann daher ein bereits etablierter Bus, bzw. Übertragungsprotokoll verwendet werden, wie CAN oder LIN. Insbesondere CAN scheint die Bedingungen für die benötigten Datenübertragungsraten, verfügbare Signale und EMV-Robustheit für die gewünschten Leitungslängen zu erfüllen.
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Daher wird für eine lange Leitungsstrecke eine CAN-Übertragung gewählt, die über einen CAN-Treiber, der sich nahe dem LMM befindet in eine UART-Übertragung umgesetzt wird.
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Vorteilhafter Weise kann so eine Übertragung über größere Distanzen bei einer akzeptablen Übertragungsrate durchgeführt werden.
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Eine solche Übertragungsrate kann 500 kBit/s betragen. Bei diesen Bitraten wird gerne ein CAN-Treiber verwendet, da das CAN-Signal ein Niederspannungs-Differenzsignal ist und weniger anfällig für Dämpfung und Reflexionen.
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Typischerweise sind Eingänge hochohmig, aber bei einem Wellenwiderstand von 120 Ohm bei Ein- und Zweidrahtleitungen bräuchte es niederohmigere Abschlusswiderstände um Reflexionen (180-Grad Reflexionen) zu vermeiden.
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Ein Pull-Up Widerstand stellt gleichzeitig einen Abschlusswiderstand dar und ist auch bezüglich des beschriebenen Effekts richtig zu dimensionieren. Ein anderer Aspekt sind durchgeführte EMV Messungen. Eine solche Anordnung mit Pull-Up Widerstand wird empfindlich in Bezug auf die Einstrahlfestigkeit. Bei Vorhandensein eines niederohmigen Pull-Up Widerstands erhöht sich die Störfestigkeit.
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In einer weiteren Ausführungsform existiert ein Steuergerät, Master-ECU (MCU), z. B. durch einen Mikrocontroller realisiert, welches die LMMs ansteuert. Wenn dem Steuergerät lediglich eine UART- und keine CAN Kommunikation möglich ist, so kann auch Steuergeräteseitig ein weiterer CAN-Treiber eingesetzt werden. Dieser setzt die UART-Signale in CAN um und ist über eine ggf. lange Leitung mit dem anderen CAN-Treiber verbunden, der aus den CAN-Signalen wieder UART-Signale erzeugt, die vom LMM gelesen werden können.
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Da ggf. auch der MCU mittels UART kommuniziert, müssen auf der Übertragungsstrecke ggf. 2 CAN-Treiber eingesetzt werden. Der erste ist nahe dem MCU Mikrocontroller lokalisiert und es findet eine UART Übertragung zwischen beiden statt. An der CAN-Seite ist eine ggf. lange Leitung zum Scheinwerfer angeschlossen. Bevor die Leitung den LMM erreicht, wird die CAN-Verbindung wieder durch einen nahe dem LMM befindlichen zweiten CAN-Treiber in eine UART-Verbindung umgesetzt. Dieser Signalpfad existiert dann zweimal, um eine Vollduplexübertragung zu gewährleisten.
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In einer besonderen Ausführungsform der Verriegelungsschaltung ist die Verriegelungsschaltung auf einer Leiterplatte aufgebracht, auf der sich auch der CAN-Treiber, eine Kommunikationsschnittstelle und das wenigstens eine Licht-Matrix-Manager Modul befinden.
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Vorteilhafter Weise bietet eine Leiterplatte die Möglichkeit mehrere Bauteile zu einem Modul zusammen zu verschalten, in Großserie zu fertigen und eine einfache Handhabung und normierten Einbau in z. B. einen Scheinwerfer oder dessen Gehäuse zu ermöglichen. Auch sind diverse Bauelemente oder Funktionalitäten nur einmal vorzuhalten. Z. B. betrifft dies Bauteile im Zusammenhang mit der Stromversorgung oder eines Taktgebers.
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Eine Kommunikationsschnittstelle besteht im einfachsten Fall in einer Anschlussmöglichkeit für ein oder mehrere Kabel, über die die CAN-Kommunikation realisiert wird. Der MCU kann über diese Schnittstelle mit dem LMM kommunizieren, wobei das Signal über die Platine und damit über CAN-Treiber und Verriegelungsschaltung zum LMM läuft. Gleiches gilt für den Signalpfad zurück.
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In einer weiteren Ausführungsform existieren mehrere LMMs auf einer Leiterplatte. Dies eignet sich z. B. dann, wenn verschiedene Lichtfunktionalitäten innerhalb eines Scheinwerfers mit verschiedenen LMMs realisiert werden sollen, die nahe beieinander liegen können. Wie beschrieben entstehen dann Synergien, da manche Bauteile nur einmal pro Leiterplatte vorgesehen werden müssen.
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In einer besonderen Ausführungsform der Verriegelungsschaltung ist eine Leiterplatte derart ausgebildet, dass sie eine Bestückung gemäß Anspruch 7 aufnehmen kann oder alternativ eine Bestückung, die eine direkte Verbindung zwischen der Kommunikationsschnittstelle und dem Licht-Matrix-Manager-Modul ermöglicht.
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Vorteilhafter Weise kann hierbei die gleiche Leiterplatte verwendet werden, falls eine erfindungsgemäße Kommunikation via CAN mit Umsetzung auf UART stattfinden soll, genau so falls eine klassische UART-Kommunikation zwischen MCU und LMM stattfinden soll.
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In zweitem Fall muss im Wesentlichen das Signal von der Kommunikationsschnittstelle zum LMM durchgeschleift werden. Eine direkte Kommunikation bedeutet vorliegend, dass keine Protokoll-Umsetzung durch CAN-Treiber oder eine Verriegelung stattfindet. Ggf. sind passive Bauelemente, wie Eingangs- oder Pull-Up Widerstände vorsehbar.
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Der Vorteil von einer Leiterplatte für beides liegt in der Flexibilität bei der Herstellung. So kann das Scheinwerfergehäuse identisch gebaut werden, da die gleiche Platinenhalterung für beide Varianten vorgesehen ist. Auch Produktionskosten können gespart werden, da nur eine Version der Leiterplatte entwickelt, getestet, bzw. produziert werden muss.
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Ein Verfahren zum Unterdrücken eines Echos auf einer Empfangsleitung erkennt ein Signal auf einer Sendeleitung und sperrt daraufhin die Übertragung auf der Empfangsleitung für die Dauer des Signals.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird aus dem Sendesignal ein Steuersignal abgeleitet. Dieses wird invertiert und mit dem Signal, das sendeseitig auf der Empfangsleitung anliegt ODER verknüpft, sofern es sich um Signalen mit negativer Logik handelt, wie sie z. B. bei der RS232 Schnittstelle üblich sind. Das Ergebnis ist das unter den beschriebenen Umständen gesperrte Empfangssignal, das an den Kommunikationspartner weitergeleitet werden kann.
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Handelt es sich um Signale mit positiver Logik, ist statt dem ODER- eine UND-Verknüpfung durchzuführen.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das Steuersignal so verlängert, dass für einen längeren Zeitraum verriegelt wird, als das Signal auf der Sendeleitung anliegt.
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Ein Scheinwerfersystem umfasst mehrere Lichtquellen, eine Matrixsteuerung dieser Lichtquellen, eine Schnittstelle zur Kommunikation mit der Matrixsteuerung, einen CAN-Treiber und eine Verriegelungsschaltung gemäß dieser Erfindung.
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Vorteilhafter Weise kann ein integriertes Scheinwerfersystem angeboten werden, das lediglich in ein Fahrzeug eingebaut und dessen Schnittstelle an den CAN angeschlossen werden muss. Dies reduziert die Variantenvielfalt der Hardware und Bearbeitungsschritte, um die zumindest der OEM entlastet werden kann. So bleibt auch ein möglichst großer Anteil der Wertschöpfungskette beim Zulieferer.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Kommunikationsarchitektur zwischen einem Kontrollgerät und Licht-Matrix-Management Modulen,
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2 zwei verschiedene Architekturen zur Anbindung mehrerer Licht-Matrix-Management Module,
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3 ein Blockdiagramm eines CAN-Treibers,
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4 die Messung eines Ein- und Ausgangs eines CAN-Treibers,
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5 eine schaltungstechnische Umsetzung der Beschaltung,
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6 eine Schaltungslogik für eine Verriegelungsschaltung,
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7 eine Messung der Übertragungsverzögerung einer Beginnflanke,
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8 eine Messung der Übertragungsverzögerung einer Endeflanke,
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9 eine Messung mit einer zu kurzen Verriegelungsdauer,
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10 eine Verzögerungsschaltung in Kombination mit der Verriegelungsschaltung,
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11 eine Messung der Signale aus 10
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12 eine Messung der Kommunikation zwischen CAN-Treiber und Licht-Matrix-Management Modul unter Einsatz der Verzögerungsschaltung in Kombination mit der Verriegelungsschaltung und
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13 eine Bestückungsvariante für eine Leiterplatte.
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In 1 ist ein Design für eine Kommunikationsarchitektur zwischen einem Kontrollgerät (Master-ECU (MCU)) und verschiedenen (Licht-Matrix-Management Modulen (LMM)) beschrieben.
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Hier ist eine Architektur gezeigt, die eine Vollduplexkommunikation ermöglicht. Der Sendeausgang (Tx) der MCU ist mit den Empfangseingängen (Rx) aller LMMs verbunden. Gleiches gilt für die Sendeausgänge (Tx) aller LMMs, die mit dem Empfangseingang (Rx) des MCU verbunden sind.
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Ein Vorteil dieser Anordnung kann eine günstige zu realisierende Lösung sein, ggf. auch die günstigste aller hier vorgestellten. Es können hierbei Entfernungen zwischen MCU und den LMMs von bis zu 50 cm oder 70 cm überbrückt werden ohne, dass die EMV-Robustheit zu stark beeinträchtigt wird.
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In 2 sind zwei verschiedene Architekturen gezeigt.
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2a zeigt eine Punkt zu Punkt (Point to Point (PtP)) Verbindung zwischen einer MCU und mehreren LMMs, die auf einer Leiterplatte (Printed-Circuit-Board (PCB)) angeordnet sind. Zwischen MCU und der Leiterplatte, bzw. Platine befindet sich eine Kabelverbindung, über die sich bevorzugt eine CAN oder LIN-Verbindung realisieren lässt.
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Auf jeder Leiterplatte muss ein interner Takt zur Verfügung stehen, mit dem zum Beispiel auch das UART-Kommunikationssignal abgetastet werden muss, da kein Takt (Clock) der außerhalb der Leiterplatte generiert wird zur Verfügung steht. Bei der PtP Variante ist nur ein Taktgenerator notwendig für die gesamte Leiterplatte, auf den die mehreren LMMs zugreifen können.
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Bei der PtP Variante kann die EMV Störanfälligkeit verbessert werden, indem eine Push-Pull Stufe (Totem-Pole-Ausgang) für das Sendesignal (Tx) des LMMs hinzugefügt wird.
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2b zeigt eine Punkt zu Multipunkt (Multi Point (PtM)) Verbindung zwischen einer MCU und mehreren LMMs, die jeweils auf einer Leiterplatte angeordnet sind. Zwischen der MCU und den verschiedenen Leiterplatten befindet sich eine Kabelverbindung, über die sich bevorzugt eine CAN oder LIN-Verbindung realisieren lässt. Dabei kann eine Sternarchitektur, d. h. individuelle Leitungen vom MCU zu jeder Leiterplatte und damit zum jeweiligen LMM oder eine Busarchitektur gemäß 1 realisiert werden.
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Bei der PtM Variante sind mehrere Taktgeneratoren notwendig, i. d. R. für jede Leiterplatte einer. Dies kann die PtM Variante teurer als die PtP Variante werden lassen. Gleiches gilt für den erhöhten Stromverbrauch, den mehrere Taktgeneratoren bewirken, verstärkt, wenn sie mit 5 V statt 3,3 V betrieben werden, bzw. die Kommunikation mit der höheren der beiden Spannungen betrieben wird.
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Bei der PtM Variante muss auf den Wert des gesamten Pull-Up Widerstandes geachtet werden. Ggf. müssen die Werte der Pull-Up Widerstände bei der Bestückung der Leiterplatten in Abhängigkeit von der Anzahl der anzuschließenden Leiterplatten gewählt werden. Abhängig von der Art der Schaltung dürften die verschiedenen Pull-Up-Widerstände parallel geschaltet wirken. D. h. die Widerstandswerte sollten so gewählt werden, dass sie nicht unter einem minimalen Wert liegen. Der Gesamtwiderstand kann z. B. ein Wert von 1k, 2k oder 5k Ohm haben.
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Für bestimmte Anwendungen, wie in Automobilen, sind bestimmte Mindestdatenübertragungsraten gefordert und dies unter dem vorhandenen EMV-Einfluss. Z. B. können Datenübertragungsraten von 500 kBit/s gefordert sein, bei einer 16-fach höheren Taktrate (entsprechen 8 MHz). Eine solche Taktrate kann zu hoch sein, um sie sicher per Kabel zu übertragen und zu verteilen.
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Die PtM Variante kann auch in einem einzelnen Scheinwerfer Anwendung finden, dabei aber ist jede Leiterplatte üblicherweise für eine unterschiedliche Funktion (wie Kurvenlicht, Fernlicht, Abblendlicht) zuständig.
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In 3 ist ein Blockdiagramm eines CAN-Treibers gezeigt, der zwischen den CAN-Signalen auf der linken Seite und UART-Signalen auf der rechten Seite umsetzt, wandelt, bzw. übersetzt.
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Es ist in dieser Darstellung zu beachten, dass der als TxD bezeichnete Pin hier einen Eingang darstellt, d. h. es ist das Tx-Signal des Kommunikationspartners hier anzuschließen. Gleichermaßen bezeichnet der RxD Pin einen Ausgang, auf dem der CAN-Treiber sendet.
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Ein CAN-Treiber, bzw. CAN-UART-Umsetzer übersetzt die 5 V (oder 3,3 V) UART-Signale Tx und Rx in CAN-Signale CANH und CANL, welche bekanntermaßen aus Niederspannungs- und Differenzsignalen bestehen. Solche Signale können einfacher über größere Distanzen übermittelt werden. Häufig wird dies mit verdrillten Leitungen realisiert. Weiterhin erfüllt der CAN-Treiber weitere automobile Anforderungen, z. B. Kurzschlusssicherheit gegenüber Masse und der Bordversorgungsspannung (12 V).
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Leider erzeugen solche Treiber ein lokales Echo. Dabei werden Signale, die auf dem UART-seitigen Eingang (TxD) eingespeist werden an die CAN-Seite geleitet und erreichen CANH und CANL. Von dort erreichen sie den Empfängerblock, über den sie auch am UART-seitigen Ausgang RxD zur Verfügung stehen.
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Ein Mikrocontroller kann das Echo unterdrücken, indem er den Empfangsinterrupt blockiert oder sich das Echosignal gar zu Nutze machen, indem er z. B. verifiziert, dass das empfangene gleich dem gesendeten Signal ist.
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Ein LMM mit seinem internen Zustandsautomaten wird davon aber wahrscheinlich gestört werden, wenn er durch das Echo Bit-Sequenzen zu gesendet bekommt, die in seiner Architektur nicht vorgesehen sind. Mit anderen Worten: So kann der Zustandsautomat eines angeschlossenen LMMs durcheinander geraten, wenn über das Echo eine Nachricht (Datenword) an den LMM gesendet wird, das keine Nachricht darstellt, die der LMM erwartet.
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In 4 ist eine Messung eines CAN-Treibers gezeigt, bei der ein Signal 41 des LMMs in den TxD Eingang des CAN-Treibers gelangt und ein Echosignal 42 auf dem RxD Ausgang des CAN-Treibers erzeugt wird. Zwischen beiden Signalen existiert eine Verzögerung, hier von ungefähr 100 ns. Eine Verriegelungsschaltung muss entsprechend so dimensioniert sein, dass sie vor dem Beginn des Echos verriegelt und diese Verriegelung erst nach dem Ende des Echos wieder löst. In diesem Beispiel bedeutet das, dass die Verriegelungsschaltung schneller als in 100 ns nach der Beginnflanke des TxD-Signals aktiv werden muss und nach der Endeflanke mehr als 100 ns länger blockieren muss, als das TxD-Signal aktiv ist.
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Zwei handelsübliche Bausteine für CAN-Treiber werden vorgeschlagen. Der TLE6250 besitzt laut Datenblatt eine Übertragungsverzögerung zwischen 150 ns und 280 ns für beide Flanken. Der TJA1051 besitzt laut Datenblatt eine Übertragungsverzögerung von 40 ns bis 250 ns.
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In 5 ist eine schaltungstechnische Umsetzung der Beschaltung eines CAN-Treibers mit einer Verriegelungsschaltung gezeigt.
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Mittig befindet sich der IC1000, der CAN-Treiber, der zwischen den CAN-Signalen links (CANH, CANL) und den seriellen UART-Signalen rechts (RxD, TxD) übersetzt.
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Zwischen den CAN-Ein-/Ausgängen und dem CAN-Treiber befinden sich Bausteine, die der Grundbeschaltung für eine Störunterdrückung dienen, z. B. eine Bifilardrossel L1000 oder Widerständen R1000, R1001 für die Busendeterminierung.
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Die Bauteile D1001, R1002, C1002 dienen als Verzögerungsglied für die Aufhebung der Verriegelung, gemäß 10. Das Bauteil IC1001 dient der logischen Verschaltung für die Blockierung der Empfangsleitung, gemäß 6.
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Es sei nochmals darauf hingewiesen, dass die mit TxD bezeichnete Leitung die Daten vom angeschlossenen LMM zum CAN-Treiber übermittelt, aus Sicht des CAN-Treibers somit anders als die Bezeichnung vermuten lässt, einen Eingang darstellt. Umgekehrt gilt gleiches für die RxD-Leitung.
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In 6 wird eine Schaltungslogik vorgeschlagen, die eine logische Funktion für 0 aktive Pegel (negative Logik) bereitstellt, gemäß der Formel Rx = (NOT A) OR B, wobei A ein Steuersignal ist, das wenn es aktiv ist, die Blockierung des Signals B bewirken soll. Das Steuersignal wird aus dem Sendesignal abgeleitet und ist im einfachsten Fall mit diesem identisch. Das Signal B ist die sendeseitige Empfangsleitung Rx (from CAN Rx), d. h. das Ausgangssignal RxD aus dem CAN-Treiber.
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In einer Hardwarerealisierung ist die Steuerleitung, auf der das Steuersignal anliegt mit dem Eingang eines Inverters (INV) verbunden, dessen Ausgang an einem von zwei Eingängen eines Oder-Gatters (OR) angeschlossen ist. Der zweite Eingang ist mit der Sendeseite der Empfängerleitung (from CAN Rx) verbunden, also dem RxD-Pin des CAN-Treibers. Der Ausgang des Oder-Gatters ist mit der Empfangsseite der Empfängerleitung (to LMM Rx) verbunden, also dem Rx-Pin des/der LMMs.
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Es sei noch erwähnt, dass bei dieser Verriegelungsschaltung keine direkte Verbindung zwischen dem RxD-Ausgang des CAN-Treibers (from CAN Rx) und dem Rx-Eingang des LMM Bausteins (to LMM Rx) besteht, sondern eine Verbindung lediglich über das Gatter zustande kommt, so dass über dieses ggf. verriegelt werden kann. Anders kann die Sendeleitung Tx beide Bausteine direkt verbinden von from LMM Tx nach to CAN Tx.
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Vorstehende Schaltung ist geeignet für Signale mit negativer Logik (0-aktive Logik). Im Falle einer positiven Logik, d. h. dass der Bit-Wert 1 über einen Hi-Pegel realisiert wird, ist das Oder-Gatter durch ein Und-Gatter zu ersetzen, um die gleiche Verriegelungsfunktionalität zu bewirken.
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Diese Logikfunktionalität kann mittels konfigurierbaren Multifunktionsgattern wie z. B. den Bausteinen 74LVC1G57, 74LVC1G97 und 74LVC1G98 realisiert werden.
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Insbesondere der 74LVC1G57GW-Q100 eignet sich, da er kostengünstig und für automobile Anwendungen qualifiziert ist.
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In 7 und 8 sind die Übertragungsverzögerungen für diese Logikschaltkreise gezeigt, welche Schaltzeiten von unter 8 ns haben und somit schnell genug sind, um rechtzeitig die Empfangsleitung zu blockieren, bevor das Echo vom CAN-Treiber ankommt.
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Die Kurven 71 und 81 zeigen ein Eingangssignal A oder Tx in den Logikschaltkreis, die Kurven 72 und 82 das resultierende Ausgangssignal.
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7 zeigt den Kurvenverlauf für die Beginnflanke, 8 den für die Endeflanke.
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In 9 ist das Problem gezeigt, dass die Verriegelungsschaltung gemäß 6 zwar rechtzeitig vor der Beginnflanke des Echos schaltet, jedoch nicht lang genug verriegelt, um erst nach dem Ende des Echos wieder zu entriegeln. Hierzu müsste gemäß der vorliegenden Messung die Verriegelung mindestens weitere 280 ns nach dem Ende des Signals auf der Sendeleitung weiter aktiv sein.
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Bei Signalen mit negativer Logik ist die Beginnflanke fallend (von Hi auf Lo-Pegel) und die Endeflanke steigend (von Lo auf Hi), bei Signalen mit positiver Logik umgekehrt.
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Signal 91 ist das auf der Sendeleitung Tx anliegende Signal, d. h. das TxD-Eingangssignal des CAN-Treibers. Das auf der Sendeseite der Empfangsleitung Rx erscheinende Echosignal 92 ist das Ausgangssignal des CAN-Treibers. Signal 93 zeigt den unerwünschten Teil des Echos, der trotzdem durchgelassen worden wäre, da eine ausschließliche vorhandene Schaltung gemäß 6, nicht lange genug verriegelt hätte.
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In 10 ist eine Schaltung gezeigt, die eine Verzögerung der Aufhebung des Steuersignals für die Verriegelung bewirkt, also eine Zeitverzögerung mit einer Zeitverzögerungskonstante bewirkt.
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Eine Diode D1, D1001 ist in Sperrrichtung zwischen die Sendeleitung und die Steuerleitung geschaltet, sie zeigt mit der Kathodenseite zur Sendeleitung und der Anodenseite zur Steuerleitung. D. h. wenn der Tx-Pegel Hi ist, sperrt die Diode, wenn er Lo ist, lässt sie durch. Dadurch wird erreicht, dass eine fallende Flanke des Tx-Signals, die bei negativer Logik der Beginnflanke entspricht, sofort auf das Steuersignal durchschlägt. Eine steigende Flanke hingegen führt zum Sperren der Diode und somit ist das Steuersignal dann abhängig von den weiteren Bauteilen.
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Die Steuerleitung A ist über einen Widerstand R1, R1002 mit der Versorgungsspannung Vcc verbunden und mit einem Kondensator C1, C1002 mit Masse. Ein Lo-Pegel des Tx-Signals entlädt den Kondensator über die dann in Durchlassrichtung geschaltete Diode. Ansonsten lädt sich der Kondensator in einer den Bauteilwerten entsprechenden Geschwindigkeit vom Lo Richtung Hi-Pegel. Der Umschaltpunkt des Steuersignals ist durch den Schaltpegel, der z. B. bei Vcc/2 liegt bestimmt. Die Zeitkonstante bestimmt sich durch den Widerstands- und den Kondensatorwert.
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Ab diesem Punkt würde die nachgeschaltete Logikschaltung von Inverter (INV) und Oder-Gatter (OR) schalten. Diese wurde in 6 vorgestellt.
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In 11 ist eine Messung der Signale gezeigt. v(a) ist die Messung des analogen Tx-Signals, v(b) die des analogen Steuersignals, v(c) die des digitalen Steuersignals und v(d) die des digitalen Tx-Signals.
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Für diese Messung wurden ein alternierendes 0–1 Bitmuster verwendet, wie an den äquidistanten Flanken des digitalen Tx-Signals v(d) zu sehen ist. Das digitale Steuerungssignal, das die Zeitpunkte/-dauern der aktiven Verriegelung anzeigt, besitzt nun eine Verzögerung und ist nach der Endeflanke des Tx-Signals noch weiter aktiv. Damit kann der in 9 gezeigte unerwünschte Rest des Echosignals nun auch unterdrückt werden.
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Optional können zwischen den beschriebenen Bauteilen noch andere auf den Signalpfaden liegen, die weitere oder verbesserte Funktionen bewirken. Z. B. können noch Signaltreiberstufen zwischen der Tx-Leitung und der Diode oder dem RC-Glied und der Logikschaltung eingebaut werden.
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Die Zeitkonstante dieser Messung ist so gewählt, dass sie einer halben Dauer eines Bits entspricht (ca. 500 ns). Dies lässt genügend Toleranz für die benötigte Verzögerung und gibt die Verriegelungsschaltung wieder frei während des Auftretens des Stop-Bits und ermöglicht so die Kommunikation ohne Beschränkungen der zeitlichen Abfolge. Der Empfangskanal ist sofort im Anschluss einer Verriegelung wieder frei für den Empfang einer weiteren Kommunikation vom MCU.
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In 12 ist eine Kommunikation zwischen einem MCU und einem LMM über einen CAN-Treiber dargestellt, bei dem die Verriegelungsschaltung gemäß 10 eingesetzt wird. Es wird hier ein Datenwort vom MCU zum LMM übertragen, der daraufhin mit einem Datenwort dem MCU antwortet.
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Das Signal 121 ist das Bitmuster, dass vom MCU via CAN-Treiber über die Empfangsleitung (Rx) an den LMM gesendet wird und kann inhaltlich eine Anforderung an den LMM darstellen, dass dieser Daten senden soll. Dieses Signal wird empfangsseitig am LMM gemessen, d. h. nach dem Ausgang des Gatters der Verriegelungsschaltung.
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Das Signal 123 hingegen ist das Signal der Empfangsleitung, jedoch Ausgangsseitig am CAN-Treiber gemessen. Hier ist das Echo in der rechten Hälfte der Messung sichtbar, das vom Tx-Signal her resultiert.
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Das Signal 122 zeigt besagtes Tx-Signal auf der Sendeleitung, was z. B. die angeforderten Daten sein können, welches der LMM an den MCU, bzw. CAN-Treiber sendet.
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Durch die erfindungsgemäße Schaltung konnte so das Echo der Antwort des LMMs vollständig unterdrückt werden.
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In 13 ist eine Bestückungsvariante für eine Leiterplatte gezeigt, die eine Bestückung gemäß der Schaltung von 5 zulässt, wie die durchgestrichenen Bauteile der Figur zeigen. Hier ist jedoch eine alternative Bestückung gezeigt, für den Fall, dass keine CAN-Kommunikation zwischen MCU und LMM eingesetzt wird, sondern eine direkte UART-Kommunikation.
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Dabei ist im Wesentlichen der Ausgangspins ST1-Tx, bzw. CANH mit dem UART-seitigen Tx lediglich über den Widerstand R1010 mit anliegenden Pull-Up R1008 verbunden. Ebenso ist der Eingangspin ST1-Rx, bzw. CANL mit dem UART-seitigen Rx lediglich über den Widerstand R1013 mit anliegendem Pull-Up R1009 verbunden. Auch ein Kurzschluss anstatt den Durchgangswiderständen ist denkbar.
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Bezugszeichenliste
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- MCU
- Master-ECU, Steuergerät
- Tx
- Transmit-Pin, Sendeleitung
- Rx
- Receive-Pin, Empfangsleitung
- TPS92661
- Licht-Matrix-Management Modul, Typ TI TPS92661
- LMM
- Licht-Matrix-Management Modul
- CANH
- Can-Hi Anschluss
- CANL
- Can-Lo Anschluss
- Vcc
- Versorgungsspannung
- TxD
- Anschluss für Sendeleitung, Eingang in CAN-Treiber
- RxD
- Anschluss für Empfangsleitung, Ausgang aus CAN-Treiber
- 41
- Signal auf Sendeleitung
- 42
- Signal auf Empfangsleitung, hier Echo
- D1000, C1000, R1000, R1001, L1000
- Bauteile für CAN Eingangsbeschaltung
- IC1000
- CAN-Treiber
- D1001, (D1), R1002, (R1), C1002, (C1)
- Bauteile für Verzögerungsschaltung
- IC1001
- Logikbaustein
- A
- Steuersignal
- B, fromCANRx
- Sendeseitiges Empfangssignal
- toCANRx
- Empfangsseitiges Empfangssignal
- INV
- Inverter
- OR
- Oder-Gatter
- 71
- Eingangssignal eines Logikbausteins einer Beginnflanke
- 72
- Ausgangssignal eines Logikbausteins einer Beginnflanke
- 81
- Eingangssignal eines Logikbausteins einer Endeflanke
- 82
- Ausgangssignal eines Logikbausteins einer Endeflanke
- 91
- Sendesignal an toCANTx
- 92
- Empfangssignal an fromCANRx
- 93
- Restliches Echo Signal an toLMMRx
- toCANTx
- Sendeleitungsanschluß an CAN-Treiber
- fromLMMTx
- Sendeleitungsanschluß an LMM
- v(a)
- Messung des analogen Sendesignals
- v(b)
- Messung des analogen Steuersignals
- v(c)
- Messung des digitalen Steuersignals
- v(d)
- Messung des digitalen Sendesignals
- 121
- Bitmustersignal von MCU an LMM (Anfrage)
- 122
- Bitmustersignal von LMM an MCU (Antwort)
- 123
- Signal am RxD-Ausgang des CAN-Treibers
- R1010, R1013
- Durchgangswiderstände
- R1008, R1009
- Pull-Up Widerstände
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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